基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾的仿真實(shí)現(xiàn)

王玲

(中國(guó)傳媒大學(xué)理工學(xué)部信息工程學(xué)院，北京 100024)

基于Simulink的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾的仿真實(shí)現(xiàn)

王玲

(中國(guó)傳媒大學(xué)理工學(xué)部信息工程學(xué)院，北京 100024)

主要研究了直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(DSSS)的抗干擾能力。利用Simulink對(duì)直接序列擴(kuò)頻通系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)模塊和接收機(jī)模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在高斯信道中加入不同中心頻率、幅度的窄帶干擾。通過傳輸過程中各個(gè)波形和頻譜變換圖，研究直擴(kuò)系統(tǒng)誤碼率、信噪比和擴(kuò)頻增益的關(guān)系。當(dāng)窄帶干擾強(qiáng)度超過系統(tǒng)抗干擾容限時(shí)，使用自適應(yīng)濾波器中的LMS(最小均方差)和RLS(最小遞推二乘)濾波器來抑制窄帶干擾。仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)濾波具有良好放任窄帶干擾抑制效果，但RLS算法復(fù)雜仿真時(shí)間長(zhǎng)，LMS收斂速度較慢。

直接序列擴(kuò)頻；Simulink；窄帶干擾；自適應(yīng)濾波

1 引言[1-3]

在眾多的通信技術(shù)中，擴(kuò)頻通信技術(shù)由于具有獨(dú)特的抗干擾能力以及很寬的使用頻帶而在軍事通信領(lǐng)域中備受青睞。它是將發(fā)送的信息被展寬到一個(gè)很寬的頻帶上，在接收端通過相關(guān)接收，將信號(hào)恢

復(fù)到信息帶寬的一種系統(tǒng)。采用擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行通信的優(yōu)越性在于用擴(kuò)展頻譜的方法可以換取信噪比上的好處，即接收機(jī)輸出的信噪比相對(duì)于輸入的信噪比有很大改善，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但在窄帶干擾條件下，由于其頻帶很窄，常常落入有用信號(hào)的頻帶中，對(duì)信號(hào)的傳播造成強(qiáng)干擾，其干擾強(qiáng)度容易超出DSSS的干擾容限，因此需要通過有效的干擾抑制技術(shù)提高系統(tǒng)性能。目前常用的干擾抑制技術(shù)主要分為基于預(yù)測(cè)的干擾抑制技術(shù)和變換域干擾抑制技術(shù)。本文根據(jù)擴(kuò)頻通信的原理，利用MATALB提供的可視化仿真工具Simulink建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，基于自適應(yīng)濾波技術(shù)中的LMS(最小均方差)和RLS(最小遞推二乘)濾波器仿真研究了擴(kuò)頻通信的抑制窄帶抗干擾的能力，目的是通過搭建的通信實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在課堂教學(xué)中可以當(dāng)堂演示，使抽象的理論知識(shí)具體化、形象化，使擴(kuò)頻知識(shí)變得通俗易懂、容易掌握，并且還能為以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的研究和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 擴(kuò)頻通信技術(shù)

2.1 理論基礎(chǔ)

擴(kuò)頻通信的基本理論是根據(jù)信息論中的Shannon公式，即

C=Blog2(1+S/N)

(1)

式中：C為系統(tǒng)的信道容量(bit/s)；B為系統(tǒng)信道帶寬(Hz)；S為信號(hào)的平均功率；N為噪聲功率。

Shannon公式表明通信系統(tǒng)信道具有無誤差地傳輸信息的能力與信道中的信噪比(S/N)和用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬(B)之間的有密切關(guān)系。該此公式給出兩個(gè)最重要的概念：一是在一定的信道容量的條件下，可以用減少發(fā)送信號(hào)功率、增加信道帶寬的辦法達(dá)到提高信道容量的要求；二是可以采用減少帶寬而增加信號(hào)功率的辦法來提高信道容量。

擴(kuò)頻增益是擴(kuò)頻通信的重要參數(shù)，它反應(yīng)了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱，其定義為接收機(jī)相關(guān)器輸出信噪比和接收機(jī)相關(guān)器輸入信噪比之比，即

(2)

式中，Si和S0分別為接收機(jī)相關(guān)器輸入、輸出端信號(hào)功率；Ni和N0分別為相關(guān)器的輸入、輸出端干擾功率；Rs為偽隨機(jī)碼的信息速率，Rd為基帶信號(hào)的信息速率；Bs為頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬，Bd頻譜擴(kuò)展前的信號(hào)帶寬。

2.2 仿真流程[4]

擴(kuò)頻通信與一般的通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過程，擴(kuò)頻通信按其工作方式不同主要分為直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)、線性調(diào)頻系統(tǒng)和混合調(diào)頻系統(tǒng)?，F(xiàn)以直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)為例說明擴(kuò)頻通信的仿真實(shí)現(xiàn)方法。圖1為加入窄帶干擾的直擴(kuò)系統(tǒng)仿真流程圖。

圖1 加入窄帶干擾的直擴(kuò)系統(tǒng)仿真流程圖

由加入窄帶干擾的直擴(kuò)系統(tǒng)仿真流程圖可以看出，在發(fā)射端，信源經(jīng)BPSK調(diào)制之后輸出的信號(hào)與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2加，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻序列，這樣得到已擴(kuò)頻調(diào)制的射頻信號(hào)。在接收端，接收到的擴(kuò)頻信號(hào)用與發(fā)射端同步的偽隨機(jī)序列對(duì)擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，經(jīng)BPSK解調(diào)后，恢復(fù)為原始信息序列信息。

3 系統(tǒng)仿真模型的建立[5-6]

Simulink的主要特點(diǎn)在于使用戶可以通過簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中的參數(shù)，并可以馬上看到改變參數(shù)后的結(jié)果，從而達(dá)到方便、快捷地建模和仿真的目的。依據(jù)圖1的仿真流程，在Simulink中搭建了圖2所示的加入窄帶干擾的直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型圖，系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

信源碼：隨機(jī)二進(jìn)制序列，碼速率1kb/s，帶寬1kHz；PN碼：8階m序列，碼速率255kb/s。

調(diào)制方式：BPSK調(diào)制；信道：AWGN(高斯白噪聲)信道；干擾：?jiǎn)我舾蓴_，多音干擾；自適應(yīng)濾波器：LMS濾波器，RLS濾波器。

圖2 加入窄帶干擾的直擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型圖

3.1 主要模塊設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)置[7]

基于MATLAB /Simulink所建立的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型，能夠反映擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程，可進(jìn)行波形觀察、頻譜分析和性能分析等，同時(shí)能根據(jù)研究和設(shè)計(jì)的需要擴(kuò)展仿真模型，實(shí)現(xiàn)以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代通信的模擬仿真，為系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的平臺(tái)。

信源：隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器(Random Integer generator)作為仿真系統(tǒng)的信源，隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)，采樣時(shí)間、初始狀態(tài)可自由設(shè)置，從而滿足擴(kuò)頻通信系統(tǒng)所需信源的要求。sample time為1/1000，即設(shè)置信源信息速率為1000bps。圖3為仿真得到信源頻譜。

圖3 信源信號(hào)的頻域圖

圖4 信源信號(hào)經(jīng)擴(kuò)頻之后的頻域圖

擴(kuò)頻與解擴(kuò)：PN序列生成器模塊(PN Sequence Generator)作為偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器，擴(kuò)頻過程通過信息碼與PN碼進(jìn)行雙極性變換后相乘加以實(shí)現(xiàn)。解擴(kuò)過程與擴(kuò)頻過程相同，即將接收的信號(hào)用PN碼進(jìn)行第二次擴(kuò)頻處理。設(shè)置為Eb/n0模式，sample time為1/2.55e05，即設(shè)置擴(kuò)頻碼碼片速率為225Kchip/s。圖4為擴(kuò)頻之后信號(hào)的頻譜，可見信源帶寬為1KHz，擴(kuò)頻之后帶寬變?yōu)榱?55KHz。

調(diào)制與解調(diào)：使用二相相移鍵控PSK方式進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)。調(diào)制由正弦載波與雙極性擴(kuò)頻碼直接相乘實(shí)現(xiàn)，采用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)。

信道：傳輸信道為加性高斯白噪聲信道。在加性高斯白噪聲信道模塊中，可進(jìn)行信號(hào)功率和信噪比的設(shè)置。當(dāng)選擇信噪比模式的時(shí)候，我們還要設(shè)置symbol period為1/2.55e05，即為進(jìn)入信道的信號(hào)采樣速率。

單音干擾：選擇sine函數(shù)模塊，設(shè)置幅度、頻率和采樣率，來模擬單音或多音干擾。

濾波：具體設(shè)置參數(shù)如圖5所示：

圖5 LMS和RLS濾波器的參數(shù)設(shè)置

誤碼計(jì)算：誤碼計(jì)算由誤碼儀實(shí)現(xiàn)，誤碼儀在通信系統(tǒng)中的主要任務(wù)是評(píng)估傳輸系統(tǒng)的誤碼率，它具有兩個(gè)輸入端口：第一個(gè)端口(Tx)接收發(fā)送方的輸入信號(hào)，第二個(gè)端口(Rx)接收接收方的輸入信號(hào)。

4 仿真結(jié)果分析[9]

4.1 加入單音干擾的分析

在給出下列仿真的條件下，觀察仿真運(yùn)行情況。信息速率1kb/s，幅度為1；偽隨機(jī)序列采用8階m序列，傳輸速率為1kpb/s的m序列；單音干擾中心頻率為50Hz，幅度1v加入信噪比6dB的高斯信道進(jìn)行仿真。在這樣的仿真條件下，理論上可獲得1倍的擴(kuò)頻增益。圖6信號(hào)經(jīng)過50Hz、1V單音干擾，6dB高斯信道后頻域放大細(xì)節(jié)圖，圖7干擾后的信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)后頻域圖。如圖7所示，解擴(kuò)后，有用信號(hào)恢復(fù)1kHz帶寬，干擾信號(hào)被擴(kuò)頻，落入有用信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾能量大大減少。

圖6 信號(hào)經(jīng)過單音干擾及高斯信道后頻域放大圖

圖7 干擾后的信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)后頻域圖

此時(shí)仿真得到系統(tǒng)誤碼率為0.1064，可見信號(hào)受到了一定的干擾產(chǎn)生了誤碼。把此仿真中使用的單音干擾頻率設(shè)置為5000Hz，幅度為1V是，在相同信噪比下得到誤碼率為0.002999，可見直擴(kuò)頻系統(tǒng)具有一定的抗窄帶干擾的能力。給定不同的信噪比，仿真得到繪制5000Hz、1V單音干擾情況下的誤碼率曲線，與不含單音干擾的曲線對(duì)比，可見兩曲線比較接近，如圖8，充分體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力。

圖8 加入5000Hz、1V單音干擾后誤碼率曲線與不含單音干擾曲線對(duì)比

4.2 加入多音干擾的分析

將單音干擾變?yōu)槎嘁舾蓴_，使用中心頻率為50Hz和100Hz、幅度都為1的兩路正弦信號(hào)，加入高斯信道中，形成多音干擾信號(hào)，進(jìn)行仿真。圖9為信號(hào)經(jīng)過50Hz、100Hz 1V多音干擾，6dB高斯信道頻域放大圖，圖10為信號(hào)經(jīng)過含50Hz和100Hz、幅度1V多音高斯干擾解擴(kuò)后頻域圖。

圖9 信號(hào)經(jīng)過多音干擾及高斯信道后頻域放大圖

圖10 干擾后的信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)后頻域圖

由圖9可見，在50Hz和100Hz處有干擾信號(hào)尖峰，落在了有用頻帶內(nèi)。從圖10可以看出多音干擾信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)后，其能量可以被分散。再經(jīng)BPSK解調(diào)后，接收端信號(hào)與發(fā)送端信號(hào)對(duì)比，得到的誤碼率為0.1924，與單音干擾為50Hz、幅度為1V時(shí)誤碼率為0.1064相比，誤碼率相對(duì)高一些。在不同信噪比下仿真得到的誤碼率曲線圖，并且與50Hz幅度1V單音干擾、100Hz幅度都為1V的單音干擾的誤碼率曲線作對(duì)比，即圖11，可見相同幅度下，多音干擾相對(duì)于單音干擾，對(duì)系統(tǒng)造成的誤碼率較高，多音干擾可以看作兩個(gè)單音干擾的疊加。

圖11 多音、單音干擾誤碼率曲線對(duì)比

4.3 自適應(yīng)濾波器抗單音干擾仿真[8]

利用Simulink里面的LMS自適應(yīng)濾波器、RLS自適應(yīng)濾波器模塊，進(jìn)行窄帶干擾的抑制。為了觀察濾波器對(duì)的窄帶干擾的抑制效果，因此窄帶干擾使用前面仿真過的中心頻率為50Hz，幅度分別為1V和30V的單音干擾，高斯信道信噪比為6dB。

(1)使用LMS最小均方差濾波器

使用LMS Filter模塊進(jìn)行窄帶干擾抑制仿真。將LMS濾波器添加在解擴(kuò)之前，濾波器輸入信號(hào)為含有高斯白噪聲、50Hz幅度1V單音干擾的信號(hào)，濾波器的期望信號(hào)為通過高斯信道但不含單音干擾的信號(hào)。LMS濾波器長(zhǎng)度為12，步長(zhǎng)為0.4。經(jīng)過對(duì)中心頻率為50Hz，幅度為1V的單音干擾使用LMS自適應(yīng)濾波器技術(shù)后，仿真得到不同信噪比下的誤碼率曲線，與之前不用濾波器的誤碼率曲線作對(duì)比，如圖12所示?？梢妴我舾蓴_都得到了良好的抑制，得到了較低的誤碼率。

圖12 50Hz1V單音干擾使用LMS濾波器、不使用濾波器曲線、不含單音干擾曲線對(duì)比

由圖12可見，添加了LMS濾波器的誤碼率曲線相比沒有使用濾波器的曲線下將迅速，更接近不含單音干擾時(shí)的誤碼率曲線，說明LMS濾波器具有良好的抗窄帶干擾功效。但是LMS濾波器的步長(zhǎng)太小收斂速度較慢，但如果取大的步長(zhǎng)，濾波糾錯(cuò)的能力又降低，因此使用LMS濾波器時(shí)要多幾次測(cè)試步長(zhǎng)，權(quán)衡收斂速度和濾波效果。

(2)RLS最小遞推二乘濾波器

使用RLS Filter模塊進(jìn)行窄帶干擾抑制仿真。將RLS濾波器添加在解擴(kuò)之前，濾波器輸入信號(hào)為含有高斯白噪聲，和中心頻率為50Hz、幅度1V的單音干擾的信號(hào)，濾波器的期望信號(hào)為通過高斯信道但不含單音干擾的信號(hào)。RLS濾波器長(zhǎng)度為64，遺忘因子為1，初始權(quán)值為0。用仿真得到的誤碼率繪制直擴(kuò)頻系統(tǒng)含50Hz、1V單音干擾時(shí)，使用RLS濾波器后不同信噪比下的誤碼率曲線如圖13所示，與之前不使用濾波器的誤碼率曲線、不含單音干擾的曲線作對(duì)比。由圖13可見，添加了RLS濾波器后，誤碼率曲線下將迅速，很接近不含單音干擾的曲線，說明RLS濾波器具有良好的抗窄帶干擾功效。但是仿真過程耗時(shí)較長(zhǎng)，使用RLS濾波器后速度明顯比使用LMS濾波器要慢，可見RLS濾波器的計(jì)算較為復(fù)雜。

圖13 50Hz、1V單音干擾使用RLS濾波器、不使用濾波器曲線、不含單音干擾曲線對(duì)比

(3)LMS濾波器與RLS濾波器效果對(duì)比

將LMS、RLS濾波器的關(guān)于50Hz、1V單音干擾抑制的誤碼率曲線，與不使用自適應(yīng)濾波器的50Hz、1V單音干擾誤碼率曲線，和不含單音干擾的誤碼率曲線，如圖14對(duì)比。由圖14可見對(duì)50Hz、1V的單音干擾，使用兩種濾波器后誤碼率都比不使用濾波器時(shí)降低很多，都達(dá)到了抗窄帶干擾的效果。但是通過仿真分析可知：(1)RLS濾波器的誤碼率更低，比LMS濾波器的誤碼率曲線更接近不含單音干擾的曲線，可見RLS濾波器的干擾抑制效果更好，但是使用RLS濾波器后仿真時(shí)間較長(zhǎng)，其仿真速度明顯比使用LMS濾波器時(shí)慢很多，可見其計(jì)算較復(fù)雜。(2)LMS濾波器仿真較快，但是其收斂速度與步長(zhǎng)參數(shù)有關(guān)，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)收斂速度快，但同時(shí)濾波效果變差，當(dāng)步長(zhǎng)較小時(shí)濾波效果好但收斂速度又變慢，因此需要多測(cè)試幾組參數(shù)來權(quán)衡步長(zhǎng)大小與濾波效果。

圖14 使用LMS、RLS濾波器誤碼率曲線與不使用濾波器曲線、不含單音干擾曲線對(duì)比

5 結(jié)論

擴(kuò)頻通信以其較強(qiáng)的抗干擾、抗衰落、抗多徑性能而成為第三代通信的核心技術(shù)，本文利用MATLAB提供的可視化工具箱Simulink建立了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)講述了各模塊的設(shè)計(jì)，并給出了仿真建模中需注意的問題。在給定仿真條件下，運(yùn)行了仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性。通過仿真研究了使用自適應(yīng)濾波器進(jìn)行擴(kuò)頻窄帶干擾抑制性能增益和輸出端信噪比的關(guān)系，仿真結(jié)果表明，在DSSS的干擾容限內(nèi)，DSSS通信系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。針對(duì)較強(qiáng)的窄帶干擾，自適應(yīng)濾波技術(shù)LMS和RLS都可以達(dá)到抗窄帶干擾的效果。在相同誤碼率下，RLS抑制窄帶干擾的能力比LMS強(qiáng)，但是需要較大的復(fù)雜度仿真時(shí)間長(zhǎng)。

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(責(zé)任編輯：王謙)

Simulation of Interference Suppression of Direct Spread Spectrum Communication System Based on Simulink

WANG Ling

(Science and Technology School，Communication University of China，Beijing100024，China)

The visual simulation tool Simulink provided by Matlab is used to build transmitter module and receiver module of DSSS communication system and the narrow-band interference in different carrier frequency and amplitude is added to the AWNG channel.The relationship among BER，SNR and spreading gain of DSSS system is researched by means of every waveform and spectrum transformation diagram in the transmission process. When theNarrow-Band Interference overstep the tolerance of the DSSS system，we can use the adaptive filter such as LMS(Least Mean Square)filter and RLS(Recursive Least Square)filter to improve suppressing Narrow-Band Interference. The simulation confirmed that the adaptive filter has a good effect onNarrow-Band Interference suppression. The RLS filter’s algorithm is complex so its simulation time is long. The LMS filter’sconvergence speed is slow.

direct sequence spread spectrum；Simulink；narrow-band interference；adaptive filter

2015-10-10

王玲(1974-)，女(漢族)，中國(guó)傳媒大學(xué)理工學(xué)部信息工程學(xué)院副教授.E-mail：wangling@cuc.edu.cn

TN911.4

A

1673-4793(2015)06-0021-07